2015 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2015S119 고속철도차량의터널진입시압축파에미치는점성효과에관한연구 A study of the viscous effect to the compression wave when a high-speed train passing through the tunnel 김영매 *, 권혁빈 *, 홍석우 **, 노주현 *** Ying Mei Jin *, Hyeok-Bin Kwon *, Seok Woo Hong **, Joo-Hyun Rho *** Abstract The relationship between the skin friction effect on the train surface and the magnitude of the secondary rise of the compression wave due to the tunnel-entry has been studied, in order to improve the accuracy of the CFD simulations on it. 3-dimensional unsteady Navier-Stokes equation has been used to calculate the flow field around and in tunnel as well as around the train. The equivalent roughness height of the vehicle body has been employed to present the surface friction effect. The results show that the secondary rise of the compression wave is highly dependent on the equivalent roughness height, and increasing the equivalent roughness height, the magnitude of secondary pressure rise agrees better with that from the field test. Keywords : High speed train, skin friction, equivalent roughness height, tunnel, CFD 초록전산유체해석기법을이용한고속철도터널내압력변동수치해석의정확성을향상시키기위하여차체표면의마찰효과와진입압축파의 2 차상승크기와의관계를연구하였다. 고속철도차량이터널통과시발생하는터널압력파는 3 차원비정상 Navier- Stokes 방정식과난류모델을이용하여계산하였으며, 점성효과에의한표면마찰력은차체의등가거칠기 (equivalent roughness height) 를이용하여조절하였다. 계산결과, 압력파의 2 차상승은차체의표면마찰력에크게의존하는것으로밝혀졌고, 적절한등가거칠기를적용할경우현장시험및기존해석프로그램의결과와잘일치하는것으로나타났다. 주요어 : 고속철도, 표면마찰, 등가거칠기, 터널, 전산유체해석 1. 서론고속철도차량이터널에진입할때발생하는진입압축파의크기는 1차적으로열차의속도와열차-터널의단면적비에비례한다고알려져있지만 [1-3], 열차의차체가터널에진입하는동안발생하는진입압축파의 2차상승은열차주위에형성되는경계층의두께등공기의점성효과와관련이있기때문에전산유체해석기법의이용시차량의외부형상의모델링정도에따라진입압축파의 2차상승크기가영향을받을수있다. 교신저자 : 한국교통대학교교통대학원교통계획 / 교통시스템공학과 (hbkwon@ut.ac.kr) * 한국교통대학교교통대학원교통계획 / 교통시스템공학과 ** ( 주 ) 에프엔에스이엔지, *** 현대로템주식회사
그러나, 3차원해석의경우에는연결부, 하부및기타미소형상에대한상세한모델링을적용할경우계산용량과시간이매우커지기때문에적절한형상의단순화작업후등가거칠기 (equivalent roughness height) 개념을도입하는것이필요하다. 본연구에서는 3차원단순형상의열차가터널을통과할때나타나는진입압축파를해석하는데있어등가거칠기와진입압축파의 2차상승의관계를연구하였다. 3차원비정상 Navier-Stokes 방정식을이용하여 [4] 고속철도차량과경부선터널을 3차원으로모델링하여차량이터널진입시터널내부의압력을시간에따라추출한후압축파의파형을분석하였다. 등가거칠기에따른압축파의 2차상승크기를비교하였으며, 현장시험결과와타당하는등가거칠기를조사하였다. 또한, 시간해상도를변화시켜가며해석을수행하여적절한해석조건에대해서도조사하였다. 2.1 모델링및해석조건 2. 본론 2.1.1 모델링본연구에서는전두부유리창하부에스포일러를부착하고차량간연결부와하부대차부 (bogie) 를고려하지않은상태에서 10량편성의 KTX-산천열차및경부고속선터널을 3차원으로모델링하였으며, 터널내열차공간을폭 4m, 높이 5m의직사각기둥의형태로분할한뒤열차속도에해당하는속도로이동하는 sliding mesh 기법을적용하여열차와터널의상대적운동을모사하였다. 열차의진입과진출시외부유동을고려하기위하여터널입출구외부의원방경계는 200m의크기로설정이었다. 아래 Fig. 1에는전산해석을위해작성된열차와터널및입출구주위원방경계를포함한격자계가나타나있다. Fig. 1 3 차원모델링 ( 열차, 터널및원방경계격자계 ) 2.1.2 열차속도 (Smooth starting) 본해석에적용된초기조건은일정한열차속도로터널을통과하는차량에대한조건이며, 열차를정지상태에서열차주행속도까지서서히가속시키는것으로서아래와같은식 (1) 로
표현될수있다. V t ) 0.5V r {1 cos( t / t )} (1) ( 0 V 여기서, r 는최종열차주행속도, t 0 는최종도달시간 (0.5초), t는해석시간이다. [5] 2.1.3 시간적분조건비정상계산을수행하기위하여계산간격 (time step) 및반복계산횟수 (sub-iteration) 를변화시켜가며계산을수행하여적절한시간적분조건을조사하였다. 아래 Fig. 2에는경부고속선차량이 270km/h 속도로연장 1km의터널을통과시차량표면압력변동결과를비교하였다. 계산간격은 0.01초, 0.005초와 0.002초로설정하며, 반복계산횟수를 5회와 10회로설정하였다. 계산간격에따른결과를비교시 0.002초와 0.005초의압력변동은큰차이나타나지않았다. 해석결과가수렴된것으로 0.005초의계산간격으로설정하여도계산이정확한것으로판단할수있다. 반복계산횟수는 5회와 10회의결과를비교하며, 차량표면압력상승변동은일치한것으로나타나고, 5회로설정하여도수렴된것으로판단할수있다. 해석시간을줄이기위해, 본문에모두시뮬레이션의시간해상도는계산간격은 0.005초, 반복계산횟수는 5회로계산한다. Fig. 2 시간적분해상도비교 (1km 경부선 270m/s 단독주행시 ) 2.2 해석결과 Table 1과 Fig. 3에서는경부선고속차량 KTX(20량 ) 가대곡2터널 ( 연장 760m) 진입시터널입구부에서 380m 지점의터널벽면압력측정결과를나타났다. 등가거칠기를설정하지않은경우 (roughness height = 0.000m), 터널내부압력파의 2차상승을크게보이지않았다. 최대압력이 921.47 Pa로나타나며, 실측데이터와비교하여 156.46 Pa 작게나타났다.
한편, 등가거칠기를 0.008m까지점차증가시킨결과, 압력파의 2차상승이점차확연히나타나며, 등가거칠기 0.005m에서시험결과와유사한값을갖게되며, 0.008m에서는거의시험결과에수렴하는것으로보여진다. 적정한등가거칠기수치는실측데이터 (Field Test) 와비교하며가장부합한압력파의 2상승결과를찾을수있다. 경부선대곡2터널의실측데이터는 Fig. 3에서제시하여, 터널내부발생하는압력파의 2차상승은최대압력이 1077.93 Pa로나타났다. Table 1에서는실측데이터결과와오차가 5.0 Pa 이내의기준으로판단하며등가거칠기를 0.005m 이상으로설정하여야실측결과와부합한것으로판단할수있다. Fig. 3 거칠기에따라객실외부압력상승결과와실측결과비교 ( 경부선대곡 2 터널 ) Table 1 2 차상승압력파최대치비교 Roughness Height [m] Maximum Pressure [Pa] Compare with Field Test [Pa] 0.000 921.47 156.46 0.001 1005.80 72.13 0.002 1036.36 41.57 0.005 1074.88 3.02 0.008 1075.29 2.64 Field Test 1077.93 - 이상에는열차의차체가터널에진입할때발생하는진입압축파의 2차상승과등가거칠기의관계를터널내부에고정위치의압력변동으로측정하여비교하였고, 아래 Table 2에서는등가거칠기에따른운행중의전두차량의외부표면압력수치를조사하여나타내었다.
최대및최소압력을전체적으로비교하며, 등가거칠기를 0.000m~ 0.005m 사이에증가시킬수록압력파의크기가상승된것으로판단할수있다. 0.005m이상시큰변동이나타나지않았다. 따라서, 차량표면압력변동으로압력파와등가거칠기의관계를표현할수있다고판단한다. Table 2 등가거칠기에따라전두차량외부압력비교 Roughness Height [m] 최대압력 [Pa] 전두차량 최소압력 [Pa] 0.000-465.81-2045.48 0.001-363.24-1984.98 0.002-331.48-1963.19 0.005-284.31-1950.41 0.008-286.57-1952.00 3. 결론고속철도차량이터널에진입할때발생하는진입압축파의 2차상승은열차주위에형성되는경계층의두께등공기의점성효과와관련이있다. 본연구에서는 3차원비정상 Navier-Stokes 방정식을이용하여단순형상의열차가터널을통과할때등가거칠기와진입압축파의 2차상승의관계를연구하였다. 등가거칠기에따른압축파의 2차상승크기를비교하였으며, 현장시험결과와부합하는등가거칠기를조사하였다. 연구결과는다음과같다 : - 등가거칠기를설정없을경우와설정한경우의결과가다르게나타났으며, 이를통해열차표면에서등가거칠기는터널진입시 2차상승압력파구배에매우큰영향을미치는것을알수있다. - 등가거칠기를증가시킬수록압력파 2차상승의크기가상승하였으나, 0.005m 이상에서는상승폭이미미한것으로나타났다. - 현장시험결과와타당하는등가거칠기를조사하여 KTX-산천차량이경부고속선터널진입한경우는등가거칠기를 0.005m이상시부합한것으로나타났다. 참고문헌 [1] H.B Kwon, D.H. Lee, S.G. Lee, D.H. Kim, et al. (1998), An Experimental Study on Propagation of Pressure waves inside the Tunnel and Booming Noise by a High-Speed Train, The Korean Society of Mechanical Engineers, 2(2), pp. 735-740
[2] Hyeok-bin Kwon, Sung-won Nam, Jong-hyun Kwak(2009), Assessment of the Pressure Transient Inside the Passenger Cabin of High-speed Train Using Computational Fluid Dynamics, Journal of the Korean Society for Railway, 12(1), pp. 65-71 [3] D.Y. Shin, S.G. Lee, H.J. Oh, H.G. Kim, et al. (2012), 3D GEOMETRY EFFECTS ANALYSIS ON PROPAGATION OF PRESSURE WAVE GENERATED BY HIGH-SPEED TRAIN TRAVELING IN A TUNNEL USING CFD, Korean Society for Computational Fluids Engineering, 17(4), pp.49-55. [4] Hyeok-bin Kwon (2001), A Study on the Unsteady Compressible Flow Field Induced by a High-speed Train Passing through a Tunnel, Ph. D thesis, Seoul National Univ. [5] Hyeok-bin Kwon, Yu Shin Kim, Dong-ho Lee, Moon sang Kim (2001), Nose Shape Optimization of the High-speed Train to Reduce the Aerodynamic drag and Micro-pressure Wave, The Korean Society of Mechanical Engineers, 1(5 ), pp. 373-379